纳米颗粒改性清洁压裂液的分子动力学模拟及实验研究

【摘要】：纳米颗粒改性的清洁压裂液可提高压裂液的携砂性能、耐温性能,并降低压裂液的滤失性,研究纳米颗粒改性清洁压裂液的微观机理和宏观工程特性有重要意义。本文研究亲水性纳米颗粒改性的粘弹性表面活性剂压裂液,采用分子动力学模拟研究清洁压裂液中盐、纳米颗粒的添加及温度对其的影响；并测试纳米颗粒改性的清洁压裂液的工程特性。主要研究内容和结果如下：1.盐对表面活性剂自组装影响的分子动力学模拟研究了有机盐NaSal和无机盐KCl对单链表面活性剂CTAB和双子表面活性剂16-6-16胶束化的影响,并对比了CTAB和16-6-16胶束化过程。在一定范围内,NaSal的添加可以使球状胶束向棒状胶束转变。适量的NaSal的添加可以促进胶束化,提升清洁压裂液体系的流变性能。但当有机盐添加过量时,胶束表面所能提供的供Sal-结合的表面有限,胶束只有分离成多个小的胶束才能提供足够的结合表面,这样反而影响胶束化过程。因此,对于清洁压裂液体系,有机盐的添加有一上限,且双子表面活性剂为Sal-提供的结合几何空间大。胶束的回旋半径随KCl的添加波动,没有呈现明显的规律。Cl-在胶束表面有一峰值分布,且Cl-和Br-的分布之和比无KCl时Br-的分布多；而K+无明显峰值,且随着KCl添加量的增加,阳离子K+在远离胶束处的分布量减小。无机盐KCl的引入抵消了阳离子基团之间的排斥力,并屏蔽胶束周围水的作用,所以KCl的添加对胶束有柔顺作用,使不同的胶束更容易缠结在一起形成网状结构,使清洁压裂液表现出好的流变特性。在质量分数相同时,CTAB棒状胶束的棒状化程度比16-6-16的低。说明同质量分数的双子表面活性剂比单链表面活性剂更容易胶束化。表面活性剂胶束化过程的初始阶段为单体及低聚物碰撞以形成小的胶束,之后胶束的长大来自于小胶束的碰撞。2.清洁压裂液胶束形成的影响因素研究采用分子动力学方法研究温度和纳米颗粒添加对表面活性剂及盐形成的清洁压裂液的影响。质量分数为6%CTAB、2%KCl和2%NaSal形成的体系,最终形成了棒状胶束和蠕虫状胶束。5nm纳米颗粒的添加使体系形成了网状结构,且纳米颗粒的添加可以加快胶束化过程。胶束通过一个半球面与纳米颗粒连接,半球面中间主要分布CTAB的疏水尾链和Sal-的疏水部分,连接处外围分布的是CTAB和Sal-的亲水部分。且实验中冷冻电镜拍摄到Gemini型表面活性剂压裂液胶束的几何尺寸为5nm-40nm左右,且添加纳米颗粒后可将蠕虫状胶束连接而形成网状结构,提升清洁压裂液的流变特性。同质量百分比的情况下,6nm纳米颗粒体系较大,形成尺寸极大的胶束(长约40nm),纳米颗粒需要连接两个以上较大的胶束才能形成网状结构。亲水性为P1的纳米颗粒在升温至330K后与胶束脱离,不能维持清洁压裂液在高温时的网状结构。本文认为亲水性强的纳米颗粒在高温时对清洁压裂液网状结构的维持会起到一定的作用。对于没有添加纳米颗粒的体系,升温至315K使由两个蠕虫状胶束和一个球状胶束形成的体系变为一个蠕虫状胶束；继续升温至330K,体系变为一个T形胶束。有机盐和无机盐的添加可以抑制因温度引起的CMC升高。3.压裂液滤失性和对岩心基质渗透率损害率测试对比研究纳米颗粒的添加对压裂液滤失性和对岩心基质渗透率损害率的影响。纳米颗粒的添加能够形成假想滤饼,降低压裂液的滤失性；但由于滤液中仍有纳米颗粒的作用,因此添加纳米颗粒的滤液粘度也较大。页岩孔隙直径在5-300nm之间,且小孔径占的比例大。15nm纳米颗粒更易渗入孔隙中对岩心造成伤害。添加30nm纳米颗粒的压裂液滤液和基液滤液对岩心基质渗透率损害率相差不大,且添加30nm纳米颗粒的压裂液滤失系数和滤失速度要低很多,因此对于本文研究的三种压裂液,添加30nm纳米颗粒的压裂液体系对岩心的伤害最小。 【关键词】：纳米颗粒 清洁压裂液 胶束 渗透率
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TE357.12;TB383.1
【目录】：

• 致谢4-6
• 摘要6-8
• ABSTRACT8-12
• 1 绪论12-18
• 1.1 课题研究背景及意义12
• 1.2 研究进展12-16
• 1.2.1 纳米颗粒改性清洁压裂液的研究进展12-15
• 1.2.2 表面活性剂自组装行为的研究15-16
• 1.3 课题的研究内容及意义16-18
• 2 模拟和实验方法18-32
• 2.1 改性清洁压裂液体系及配置方法18
• 2.2 分子动力学模拟方法18-31
• 2.2.1 分子力场19-21
• 2.2.2 分子动力学21-23
• 2.2.3 周期性边界条件23
• 2.2.4 系综与系综的调节23-25
• 2.2.5 参数统计25
• 2.2.6 模拟软件简介25-26
• 2.2.7 高温高压岩心流动实验台26-29
• 2.2.8 岩心基质渗透率损害率测试方法29-31
• 2.3 本章小结31-32
• 3 盐对表面活性剂自组装影响的分子动力学模拟32-53
• 3.1 引言32
• 3.2 模拟体系的设定32-34
• 3.3 力场及计算方法34
• 3.4 结果和讨论34-51
• 3.4.1 体系的自组装过程和平衡状态34-36
• 3.4.2 盐对单链表面活性剂胶束化的影响36-43
• 3.4.3 盐对双子表面活性剂胶束化的影响43-47
• 3.4.4 单链和双子表面活性剂胶束化过程对比47-51
• 3.5 本章小结51-53
• 4 清洁压裂液胶束形成的影响因素研究53-68
• 4.1 引言53
• 4.2 模拟体系的设定53-54
• 4.3 结果和讨论54-66
• 4.3.1 纳米颗粒添加对自组装的影响54-61
• 4.3.2 纳米颗粒粒径对自组装的影响61-62
• 4.3.3 温度对自组装的影响62-66
• 4.4 本章小结66-68
• 5 压裂液滤失性和对岩心基质渗透率损害率测试68-75
• 5.1 引言68
• 5.2 实验测试工况和方法介绍68-69
• 5.3 压裂液滤失性测试69-72
• 5.4 压裂液滤液对岩心基质渗透率损害率72-74
• 5.5 本章小结74-75
• 6 全文总结和展望75-79
• 6.1 全文总结75-77
• 6.2 本文创新点77
• 6.3 课题展望77-79
• 参考文献79-81

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